Hoe werkt een bidirectionele FCML-converter met seriestapeling en bufferarchitectuur in energieopslagtoepassingen?

In moderne vermogenselektronica voor elektrische voertuigen (EV’s) en netgekoppelde energieopslagoplossingen groeit de aandacht voor modulaire, efficiënte en bidirectionele vermogensconversietopologieën. Een cruciale rol hierin speelt de Flying Capacitor Multilevel (FCML) converter, die in deze context wordt toegepast als een boost-PFC (Power Factor Correction) trap binnen een grotere systeemarchitectuur. In plaats van de traditionele benadering met één boost-converter, maakt dit ontwerp gebruik van twee in elkaar grijpende FCML-converters, waarbij bidirectionele GaN-schakelcomponenten centraal staan. Hierdoor kan het systeem niet alleen functioneren als gelijkrichter, maar ook als inverter, wat cruciaal is voor toepassingen zoals vehicle-to-grid (V2G), waarbij de EV-batterij netondersteuning biedt.

Een direct gevolg hiervan is dat de vereiste inductantie voor een opgelegde stroomrimpelspecificatie drastisch afneemt. Terwijl een conventionele boost-converter een relatief grote spoel vereist voor een gegeven stroomrimpel, laat de N-niveaus FCML-structuur toe dat de vereiste inductantie afneemt met een factor (N−1)². Bovendien moeten de gebruikte schakelaars in de FCML-structuur slechts een spanning blokkeren van Vout/(N−1), tegenover Vout bij een conventionele converter. Hierdoor kunnen lagere spanningscomponenten met een hogere Device Figure of Merit (DFOM) ingezet worden. Deze DFOM is gedefinieerd als de inverse wortel van het product tussen de aanweerstand en uitgangscapaciteit van een component en is een directe maat voor gecombineerde geleidings- en schakelverliezen. Aangezien deze DFOM daalt met stijgende spanningsblokkering, is het inzetten van meerdere laagspanningscomponenten voordeliger dan één enkele hoogspanningsschakelaar.

De modulaire uitvoering van deze FCML-converters draagt verder bij aan schaalbaarheid en flexibiliteit. Elke converterkaart is fysiek uitgevoerd op creditcardformaat en maakt gebruik van 150 V EPC2033 GaN-transistors, gekozen voor hun hoge prestaties binnen een veilige spanningsmarge. Deze kaarten zijn gemonteerd op een dragermodule die ook de benodigde spoelen, brugschakelingen en filters bevat. Voor een systeemarchitectuur rond een 400 V batterij werd de zesniveausconfiguratie als optimaal beschouwd vanwege de beschikbaarheid van hoogwaardige schakelaars binnen het bereik van 100–200 V.

De combinatie van een FCML boost-PFC-trap met een SSB-architectuur vormt een krachtige en efficiënte basis voor toekomstgerichte laadsystemen. Niet alleen wordt het mogelijk om met lagere verliezen energie te converteren, maar ook biedt de topologie de mogelijkheid tot snelle bidirectionele energie-uitwisseling, essentieel voor slimme netwerken en V2G-implementaties. De inzet van GaN-technologie versterkt dit door hogere schakelsnelheden en lagere verliezen mogelijk te maken, terwijl de modulaire hardwareontwerp zorgt voor onderhoudsgemak, schaalbaarheid en herbruikbaarheid in verschillende toepassingen.

Belangrijk voor de lezer is het besef dat het ontwerpen van multilevel vermogensconverters niet alleen draait om topologie en schakeltechniek, maar ook sterk afhankelijk is van de keuze van halfgeleidertechnologieën, thermisch beheer, en controle-algoritmen. Factoren zoals balanscondities van vliegende condensatoren, spanningsdeling over schakelaars, en parasitaire elementen in de lay-out beïnvloeden direct de betrouwbaarheid en prestaties. De effectiviteit van de PS-PWM-aansturing hangt nauw samen met precisie in timing, componentmatching en systeemfeedback. Tot slot is het cruciaal te begrijpen dat modulaire ontwerpen zoals deze niet alleen technische voordelen bieden, maar ook de industriële productie, testen en service ingrijpend vereenvoudigen.

Hoe thermisch beheer de prestaties van power-elektronica in voertuigen en vliegtuigen verbetert

Bij de ontwikkeling van krachtige en efficiënte elektronische systemen voor voertuigen, zoals bulldozers of vliegtuigen, is thermisch beheer essentieel. Het thermische ontwerp moet niet alleen rekening houden met de effectiviteit van de koeling, maar ook met de beperkingen die op de systeemconfiguratie van invloed kunnen zijn, zoals de grootte, het gewicht en de vereiste bedrijfstemperaturen. Dit geldt vooral voor inverters die samenwerken met primair gekoelde circuits, zoals die in Caterpillar voertuigen, waar de koeling doorgaans bij 105°C opereert.

In luchtvaarttoepassingen zijn de eisen anders. De nadruk ligt hier meer op gravimetrische vermogensdichtheid (kW/kg) dan op volumetrische vermogensdichtheid (kW/L). In dit geval kan de inverter iets groter zijn, maar moet deze lichter zijn om de power-to-weight ratio te optimaliseren. Een voorbeeld van deze benadering is de hybride elektrische aandrijving voor de Cessna 337 Skymaster. Deze innovatieve aandrijving maakt gebruik van een PM-seriemotor (PMSM), die is ontworpen voor een hybride vliegtuigtoepassing en koel wordt gehouden met een koelvloeistof van 55°C. De inverter die in deze toepassing wordt gebruikt, heeft een gravimetrische dichtheid van 30 kW/kg, met een uitstekende efficiëntie van meer dan 98%. De motor zelf, samen met de aandrijflijn, slaagde erin te voldoen aan de strikte eisen van de FAA (Federal Aviation Administration), waaronder tests voor schok- en vibratiebestendigheid onder elektrische belasting.

Naast thermisch-hydraulische prestaties is de betrouwbaarheid van het systeem een belangrijke factor. In systemen met meerdere elektronische modules kunnen temperatuurverschillen tussen de verschillende chips leiden tot verhoogde spanningen en vroegtijdige uitval. Het balanceren van de temperatuur tussen verschillende chips is cruciaal om een gelijkmatige stroomverdeling en lange levensduur te waarborgen. Hier komt het gebruik van thermische interface-materialen (TIM) in beeld, die helpen de thermische weerstand tussen de interfaces van de modules te minimaliseren. Deze materialen dragen bij aan een efficiënter warmtebeheer door de thermische geleidbaarheid te verbeteren, hoewel ze zelf altijd een zekere mate van weerstand blijven vertonen.

Naast het ontwerp van de thermische systemen zelf, is het essentieel om de thermische interface zorgvuldig te selecteren. Het gebruik van materialen met een geschikte thermische geleidbaarheid kan de prestaties aanzienlijk verbeteren, vooral bij hogere temperaturen, waarbij de traditionele oplossingen zoals luchtkoeling niet altijd toereikend zijn. Het direct koelen van elektronische modules kan, hoewel effectief, complexe eisen stellen aan de gebruikte materialen en de integratie van de koelmethoden.

De integratie van thermisch beheer in de ontwikkeling van high-performance power-elektronicasystemen vereist dus een holistische benadering. Het doel is om de thermische efficiëntie te verhogen, terwijl tegelijkertijd de betrouwbaarheid van de systemen gewaarborgd blijft, en tegelijkertijd het gewicht en het volume van de oplossing worden geminimaliseerd. Alleen met deze benaderingen kunnen de uitdagingen van de moderne, krachtige voertuigen en luchtvaartsystemen op de juiste manier worden aangepakt.